氧化鋁生產(chǎn)中帶加熱管束壓煮器現(xiàn)場(chǎng)改造

蘇蘭林

（中鋁廣西分公司氧化鋁廠）

壓煮器是氧化鋁廠提煉裝置中的重要設(shè)備，其容積較大，而且?guī)в屑訜峁苁?、機(jī)械攪拌裝置和傳動(dòng)設(shè)備，長(zhǎng)期服役于高溫、高壓、強(qiáng)堿環(huán)境中。 因此在設(shè)備制造時(shí)難度較大，對(duì)環(huán)境要求較高，尤其是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量要求較高，例如封頭中心法蘭平面垂直度、同心度等都需要符合工藝要求。

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期連續(xù)操作使用后，壓煮器的接管焊縫處和熱影響區(qū)均有裂紋出現(xiàn)， 甚至出現(xiàn)了泄漏。 雖然該類(lèi)缺陷已經(jīng)得到了處理，但焊縫內(nèi)部未融合、未焊透等缺陷仍未得到修復(fù)，仍會(huì)影響設(shè)備的安全運(yùn)行。 在不改動(dòng)原有加熱管束裝置和攪拌裝置的基礎(chǔ)上，設(shè)備更換部件后的使用性能仍要滿足工藝要求。 為了確保設(shè)備使用安全，提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)該類(lèi)缺陷進(jìn)行了局部現(xiàn)場(chǎng)改造。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)

壓煮器為帶有裙座結(jié)構(gòu)的直立式容器，內(nèi)部裝有加熱管束、機(jī)械攪拌裝置和傳動(dòng)設(shè)備。 壓煮器設(shè)備主要結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

壓煮器屬于Ⅱ類(lèi)容器，主要技術(shù)參數(shù)如下：

殼體規(guī)格 φ2800mm×16081mm

殼體壁厚 62mm

殼體設(shè)計(jì)壓力 5.2MPa

殼體工作壓力 4.3～4.8MPa

殼體設(shè)計(jì)溫度 260℃

圖1 壓煮器設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

殼體介質(zhì)特性 NaOk（223g/L）

殼體容積 83.28m3

筒體材料 A48CPR（相當(dāng)于國(guó)產(chǎn)Q345R）

封頭材料 A48CPR

加熱管束規(guī)格 原φ52mm×2.6mm

現(xiàn)φ57mm×4mm

加熱管設(shè)計(jì)壓力 6.1MPa

加熱管工作壓力 預(yù)熱段2.4MPa

加熱段5.8～5.9MPa

加熱管設(shè)計(jì)溫度 290℃

加熱管介質(zhì) 蒸汽

管束材料 TU42-C（現(xiàn)20#）

腐蝕裕度 1.2mm

攪拌功率 45kW

加熱面積 540m2

焊縫系數(shù) 1

設(shè)備凈重 97 993kg

2 設(shè)備改造要求

該設(shè)備改造的總體要求包括：更換設(shè)備上封頭組件，且其尺寸、材料均不變；更換與設(shè)備焊接的接管法蘭組件，其尺寸、材料、方位均不變；保留設(shè)備的其余部分，改造后設(shè)備使用性能滿足工藝要求。

由于設(shè)備容積為83.28m3， 整體質(zhì)量達(dá)到近100t，且其內(nèi)部裝有加熱管束和機(jī)械攪拌裝置，因此該設(shè)備無(wú)法整體拆卸后運(yùn)回制造廠家進(jìn)行改裝，所有的改裝工作必須在作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)完成，主要包括舊體切割、改裝組對(duì)、尺寸公差控制、焊接、無(wú)損檢測(cè)、熱處理、水壓試驗(yàn)及設(shè)備檢驗(yàn)驗(yàn)收等工作。 改造前需進(jìn)行改造方案設(shè)計(jì)、強(qiáng)度計(jì)算、焊接工藝評(píng)定及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪等工作，并制定詳細(xì)的施工方案，確保改造工作順利進(jìn)行。

3 改造實(shí)施工藝過(guò)程

3.1 重新制作上封頭

上封頭部分的組裝、焊接、探傷檢測(cè)、熱處理、中心法蘭二次加工和封頭坡口機(jī)械加工工作均按照設(shè)計(jì)要求在制造工廠內(nèi)完成，封頭直徑以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量尺寸為準(zhǔn)，考慮到熱影響區(qū)材質(zhì)會(huì)發(fā)生變化，封頭高度為原封頭高度增加20mm。圖2 為壓煮器上封頭部件示意圖。

圖2 壓煮器上封頭部件示意圖

上封頭共7 個(gè)接管， 接管與上封頭焊接坡口如圖3 所示。 焊接過(guò)程為：按圖裝配點(diǎn)固；焊前認(rèn)真清理；本接點(diǎn)為K 形坡角接全熔透焊縫；焊接位處平焊位；內(nèi)側(cè)焊滿后，外側(cè)碳弧氣刨清根砂輪打磨； 焊后清理打上焊工鋼印代號(hào)； 按GB 150—2011 第10.3.3 條 規(guī) 定 檢 驗(yàn) 焊 縫 外 觀［1］； 按NB/T 47013—2015 檢驗(yàn)達(dá)100%-MT-Ⅰ級(jí)合格［2］；其余均按圖紙要求。 焊接工藝參數(shù)列于表1。

封頭下口采用U 形坡口， 半徑R=15mm，角度為25°，鈍邊為2mm。加工時(shí)應(yīng)確保封頭中心法蘭和封頭下口同軸度， 制作完成后要加工裝保護(hù)，并由相關(guān)監(jiān)檢部門(mén)出具合格報(bào)告后再運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安裝。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)切割原設(shè)備上封頭及分配管

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)確認(rèn)與工藝管道連接的蒸汽閥已關(guān)閉，蒸汽進(jìn)口管已切斷，設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境安全的前提下方可進(jìn)行拆除工作。

圖3 接管與上封頭焊接坡口示意圖

為了精確切割上封頭，切割時(shí)采用水平儀尋找基準(zhǔn)劃線，以原中心接管的中心為中心，再用自動(dòng)坡口切割機(jī)進(jìn)行火焰切割，然后按焊接工藝卡規(guī)定的坡口尺寸進(jìn)行切割加工。 切口設(shè)定在原焊縫中心的下方20mm 處（焊縫上下20mm 是原焊縫的熱影響區(qū)）。 為了預(yù)防筒體在切割過(guò)程中失圓，在切口下方100mm 處增設(shè)一個(gè)工裝環(huán)，確保筒體環(huán)內(nèi)徑和外壁吻合。 封頭與筒體和分配管切割分離后，采用汽車(chē)吊離并處理筒體內(nèi)外壁的氧化鐵及其他雜質(zhì)， 然后對(duì)筒體坡口進(jìn)行處理。采用V 形坡口，坡口角度為8°，鈍邊為2mm，應(yīng)采用角向輪在坡口附件100mm 范圍內(nèi)進(jìn)行打磨，確保坡口處光滑、平整，組裝前還需進(jìn)行方位線劃定。

表1 焊接工藝參數(shù)

3.3 組裝新上封頭組件

通過(guò)工裝將新制作的上封頭部件與設(shè)備筒體固定，并調(diào)整對(duì)接接頭的間隙為3～5mm，同時(shí)控制筒體與上封頭的錯(cuò)邊量不大于3mm。采用光線盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)找準(zhǔn)封頭平面中心法蘭的中心點(diǎn)，確保上封頭中心法蘭平面與設(shè)備軸線垂直，法蘭中心軸與設(shè)備中軸線同軸， 使兩者軸線誤差不大于0.25mm。

確定設(shè)備組裝部件的尺寸和安裝精度要求后，將新制上封頭和設(shè)備筒體進(jìn)行點(diǎn)焊固定。8 塊50mm 厚的固定板均勻分布，采用點(diǎn)焊固定，焊縫間隙為3～5mm。組裝完成后，對(duì)設(shè)備進(jìn)行自檢，并記錄產(chǎn)品外觀、幾何尺寸、對(duì)接錯(cuò)變量及棱角度等信息。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)組裝焊接

筒體和封頭壁厚為62～64mm，焊縫坡口為外坡口形式， 封頭與筒體的間隙一般應(yīng)控制在3～5mm。 根據(jù)焊接工藝要求，應(yīng)在對(duì)接焊縫的內(nèi)側(cè)表面附著一次性陶瓷襯墊，使設(shè)備單面焊接雙面成型，同時(shí)確保焊縫內(nèi)部平整。 上封頭與筒體的焊接坡口如圖4 所示。 焊接過(guò)程為：按圖裝配點(diǎn)固，焊前認(rèn)真清理；本接點(diǎn)為帶襯墊的單U 形坡角接全熔透焊縫；焊接位處橫焊，采用連續(xù)焊接，焊后立即保溫［3，4］；焊后清理打上焊工鋼印代號(hào)；按GB 150—2011 第10.3.3 條 規(guī) 定 檢 驗(yàn) 焊 縫 外 觀［1］；按NB/T 47013—2015 檢驗(yàn)達(dá)100%-TOFD-Ⅱ級(jí)合格后，超聲波復(fù)查長(zhǎng)度為20%Ⅰ級(jí)合格［2］；其余均按壓煮器上封頭部分更新工藝。

圖4 上封頭與筒體焊接坡口示意圖

焊接前先用火焰將坡口溫度預(yù)熱到150℃，采用藥芯焊絲和CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接。 第1層焊接采用小電流、小電壓施焊，由多人沿筒體外周同一方向連續(xù)不停機(jī)施焊，控制焊縫內(nèi)層間溫度為150℃左右。 焊接完成以后，焊縫應(yīng)保溫緩冷24h，以保證焊縫質(zhì)量。

將切割的分配管與新的料管進(jìn)行組焊，蒸汽分配管焊接坡口如圖5 所示。

3.5 對(duì)接環(huán)焊縫無(wú)損檢測(cè)與返修工作

焊接工作完成后， 按照NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第10 部分：衍射時(shí)差法超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［2］，對(duì)筒體和上封頭的對(duì)接焊縫進(jìn)行100%超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）檢測(cè)，Ⅱ級(jí)為合格。 焊縫經(jīng)TOFD 檢測(cè)合格后，按NB/T 47013—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè)》第4 部分：磁粉檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定［2］，再對(duì)該焊縫進(jìn)行磁粉檢測(cè)，Ⅰ級(jí)為合格。

圖5 蒸汽分配管焊接工藝示意圖

若焊縫檢測(cè)不合格，則需返修，可采用碳弧氣刨去除焊接缺陷， 再用角向輪磨光氣刨表面，將表面預(yù)熱至150℃后進(jìn)行補(bǔ)焊。 焊接完成后，焊縫保溫緩冷后再對(duì)返修處進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，直至焊縫全部合格為止。

3.6 焊后熱處理

焊縫檢測(cè)合格后，對(duì)筒體與上封頭焊縫進(jìn)行局部熱處理以消除焊接應(yīng)力。 局部熱處理采用遠(yuǎn)紅外電加熱片加熱， 加熱總功率為20kW。 采用LCO 型加熱器，加熱器內(nèi)共有20 塊加熱板，每塊加熱板長(zhǎng)1 000mm、 寬500mm， 絕熱保溫層厚100mm，加熱器耗電功率小于20kW，并有溫控設(shè)施。

焊后熱處理工藝過(guò)程如下：

a. 升溫過(guò)程。 焊縫溫度達(dá)到300℃之前不控溫，達(dá)到300℃后控制升溫速率不超過(guò)80℃/h，直到溫度上升至620℃后，停止升溫進(jìn)行保溫。

b. 恒溫過(guò)程。焊縫溫度達(dá)到620℃以后，恒溫2.5h。

c. 降溫過(guò)程。焊縫恒溫2.5h 后，開(kāi)始降溫，降溫速度應(yīng)控制在90～100℃/h。 當(dāng)焊縫溫度降到300℃以下后，隨空氣冷卻即可。

3.7 設(shè)備水壓試驗(yàn)

設(shè)備制作完成后，根據(jù)TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］中耐壓試驗(yàn)和液壓試驗(yàn)的要求進(jìn)行試驗(yàn)。 設(shè)備注水前開(kāi)放排氣口，并封堵其余各個(gè)工藝管口，當(dāng)設(shè)備內(nèi)水注滿后，封堵排氣口。該設(shè)備試驗(yàn)水壓為6.5MPa，保壓2h 后進(jìn)行相關(guān)密封部位的各項(xiàng)檢查。水壓試驗(yàn)合格后，放空設(shè)備內(nèi)的注水，并進(jìn)行清理。 設(shè)備外表面應(yīng)按照工程項(xiàng)目規(guī)定要求重新防腐。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)制定精確合理的技術(shù)方案和現(xiàn)場(chǎng)施工、焊接、檢測(cè)、熱處理操作工藝，對(duì)壓煮器設(shè)備上封頭進(jìn)行更換和改造，經(jīng)監(jiān)檢部門(mén)檢查和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作評(píng)定測(cè)試，改造后的設(shè)備完全符合生產(chǎn)工藝要求。 由于在現(xiàn)場(chǎng)安裝制作，不超標(biāo)缺陷和應(yīng)力會(huì)不同程度影響到焊接質(zhì)量，在投用后條件允許的情況下，還要對(duì)這道環(huán)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，以確保壓力容器安全穩(wěn)定運(yùn)行。